TST隧道超前预报技术及应用

公路隧道　２０１３年第３期（总第８３期）　ＴＳＴ隧道超前预报技术及应用　蒋　辉　贾　超赵永贵　北京１０００２９）　（中国科学院地质与地球物理研究所，北京同度工程物探技术有限公司摘　要　目前国内外有多种隧道超前预报技术，不同程度地存在技术缺陷，易产生漏报与误报问题，给超前预报　工作带来很大风险。ＴｓＴ技术建立在地震散射理论基础上，采用空间阵列式观测方式，方向滤波、速度扫描和合成　孔径成像等专业处理技术，能从隧道内的三维波场中滤除侧向反射波，提取出掌子面前方回波，从根本上避免了漏　报误报问题。应用表明，ＴｓＴ技术可有效地用于钻爆法、ＴＢＭ施工隧道的地质构造、岩溶、采空区等地质灾害的超　前预报。　关键词　隧道超前预报ＴｓＴ技术空间阵列观测波场方向滤波合成孔径成像　０前言　隧道超前预报技术对于查清隧道不利地质条　件、预报掌子面前方的地质构造和含水性、保障施　基础的ＴＳＴ软件系统，并开始推广应用，解决了漏　报误报问题，促进了超前预报技术的科学、健康　发展。　ＴＳＴ的核心技术有４项，分别为阵列式观测方　式、方向滤波技术、速度扫描技术及合成孔径成像　技术，现分别进行介绍。　工安全具有重要作用，已成为隧道施工有效的技术　环节。地震法超前预报观测布置在隧道内，记录的　是复杂的三维波场。回波来自四面八方，回波中包　含纵波、横波等不同震相，每一个分量的记录都是　１　ＴＳＴ技术的三维波场基础　ＴＳＴ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）隧道超前　平行方向传播的纵波与垂直方向传播的横波的叠　加。目前，国内应用的ＴＳＰ２０３，ＴＧＰ２Ｏ６等技术存　在两个严重的技术问题，其一是对三维地震波场的　处理不正确。该技术假定地震回波仅来自掌子面　预报的观测是布置在隧道内，观测的是三维地震波　场。激发的地震波传向四面八方，回波也来自四面　八方（见图１）。激发波包括纵波和横波。纵波引起　前方，从而将记录的３个分量分别取为Ｐ，ＳＨ，ＳＶ　直接用于超前预报口］，忽略了两侧、地表面、上覆、下　伏地层回波的影响，这是造成虚报误报的根本原　的介质振动平行于传播方向，横波引起的振动垂直　传播方向。在隧道内三维地震波场条件下，检波器　每个分量的记录都是平行方向传播的纵波和垂直　方向传播的横波的叠加。ｚ，　，ｚ　３个分量的记录表　示为　一　因。应该对每一个分量的记录进行波场分离，取出　前方回波，滤除各种侧向回波。其二是观测方式不　合理。这种将检波器与炮点布置在隧道一侧的观　测方式，没有横向偏移距，只能满足确定隧道两侧　围岩波速分析的需要，不能确定掌子面前方围岩的　。＋　＋　Ｕ　一Ｕ　＋【，　＋【，厂　Ｕｚ一己，　＋Ｕ　＋Ｕ　（１）　波速，这直接影响到反射目标的准确定位，同时也　使根据围岩波速判定围岩类别的目的无法实现。　目前，ＴＳＰ２０３提供的波速是虚假的，与围岩的特性　没有对应关系。　式中，第１下标表示振动方向；第２下标表示传播方　向；第３下标表示波的类型，Ｐ表示纵波，Ｓ表示　横波。　在第２３届地球物理年会上，赵永贵等最早对　ＴＳＰ２０３技术存在的这些问题进行了深入分析［２］，　之后在工程地球物理学报上发表了文章Ｉ－　，提出对　其技术问题的改进措施。在借鉴了ＴＳＰ２０３技术的　基础上，ＴＳＴ技术从观测方式到处理技术进行了全　新的设计。采用空间阵列式观测方式，以满足方向　滤波和速度扫描对数据空间排列的技术要求，实现　了以方向滤波、速度扫描、合成孔径等处理技术为　・　５９　・　公路隧道　２０１３年第３期（总第８３期）　澈　～　向　两波　嗵　　●●●●●●●●●Ｔ　一　ｙ　泼　图１隧道内地震记录示意图　图２　ＴＳ，ｒ的观测方式　超前预报中需要的是掌子面前方的回波，以ｚ　表示隧道轴向，掌子面前方的回波表示为　波圃方一Ｌ一　澈一　一　一一一　ｕｙ—Ｕ　做一　　十　＋Ｕ　（２）　Ｕ。＝Ｕ　式中，　分量为掌子面前方返回的纵波；ｚ和Ｙ分量　表示前方返回的横波。　从式（１）的空间三维波场中提取式（２）的掌子　面前方回波，不能通过单点记录分析的方法来实　现，只能通过空问滤波技术（即方向滤波技术来）　实现。　２　ＴＳＴ的观测方式　观测系统是保证超前预报可靠性的第一个重　要的环节。ＴＳＴ观测系统的设计遵循下列３项　原则：　（１）满足速度分析的要求。为确定掌子面前方　围岩的波，要求观测系统必须具有足够的横向偏移　距。检波器与炮点应埋设在隧道的两侧，左右检波　器的横向距离不小于预报距离的１／１０。　（２）满足方向滤波的技术要求。为满足方向滤　波技术对观测数据空间排列的技术要求，隧道内每　侧纵向观测的长度应大于１个波长，即２０～４０　ｍ，　检波器纵向间距应小于１／４波长，即小于４～５　ｍ。　（３）满足高信噪比的要求。为提高记录信号的　信噪比，获得高质量数据，必须减少隧道面波的干　扰，检波器和炮点应埋人围岩中，深度超过２　ｍ。　按上述要求，观测方式布置成二维阵列方式。　检波器和炮点布置在隧道两侧，成一个平面。隧道　轴向排列长度不小于２Ｏ～４０　ｍ，检波器间距４～５　ｍ；隧道两侧检波器横向距离不小于１５～２Ｏ　ｍ，检　波器与炮点埋深２　ｍ。这种观测方式为后续的速度　分析、方向滤波和合成孔径成像提供了可靠保障。　观测方式如图２所示。　・　６Ｏ・　３　ＴＳＴ的方向滤波技术　隧道内地震的回波来自四面八方，地震波又包　含纵波与横波，每个分量的记录都包含着平行方向　产波的纵波与垂直方向传播的横波的叠加。因此，　资料处理的首要任务是进行波场分离，滤除面波、　直达波、侧向回波等各种干扰波，取出前方的回波。　经过上述波场分离后再对数据进行纵波和横波分　离，用于速度扫描和偏移成像。地震资料处理中用　于波场分离和方向滤波的技术有Ｆ－Ｋ变换、　—Ｐ变　换、Ｒａｄｏｎ变换等，Ｆ—Ｋ与　—Ｐ变换等方向滤波技术　更适合隧道观测的数据。这两项滤波技术的核心　是依据视速度的差异。掌子面前方的回波视速度　较小，为负值；直达波、面波视速度较小，为正值；侧　面的回波视速度绝对值很大，有正负。不同方向的　回波其方向滤波的原理和效果如图３所示。　侧向回波　前方与侧向地震波记录　图３三维波场方向滤波原理示意图　目前，国内外的超前预报技术中除了ＴＳＴ技术　采用Ｆ～Ｋ变换进行波场分离和方向滤波外，其他的　技术如ＴＳＰ２０３，ＴＧＰ２０６，ＴＲＴ等都不进行波场分　离和方向滤波，未滤除侧向波和面波，不可避免地　在纵横波中包含侧向波干扰，预报图像中包含虚假　成分，造成误报，这是普遍存在的较为严重的技术　缺陷。　蒋辉等ＴＳＴ隧道超前预报技术及应用　４　ＴＳＴ的围岩波速扫描分析　掌子面前方围岩波速的准确确定是十分重要　的，这不但关系到对围岩工程类别的判断，更重要　的是直接影响到偏移成像地质对象的准确定位，在　偏移成像之前必须准确确定围岩波速分布。围岩　波速分析首先需要有不同偏移距的观测数据，其次　是必须有有效的数学方法。　围岩波速的确定必须有不同横向偏移距的数　据，这点很重要，可以从走时方程得到理解。隧道　内地震反射波的走时方程为　（　）。＋（墨　）　一　（３）　式中　——观测的反射波走时　ｔｏ——掌子面到前方断层的最小往返走时；　卜轴向坐标；　Ｘ——横向坐标；　（Ｚｉ，Ｘ　），（　，Ｘ，），（　，Ｏ）——炮点、接收点　和断层的坐标。　坐标原点取在掌子面中心，前方为正。　式（３）中包含３个未知量，隧道开挖段围岩的波　速Ｖ　、掌子面前方围岩波速、／，ｚ和最小走时ｔ。。阵　列是观测时，可由式（３）组成的方程组确定出Ｖ　，　和ｔ。，再由ｔ。和　确定断层位置Ｚｆ。这种计算可　有计算机扫描完成。　在ＴＳＰ２０３，ＴＧＰ２０６等超前预报技术中，横向　偏移距ｘ＝０，反射走时方程变为　ｔｏ一　一　（４）　Ｖ　１　Ｖ　Ｚ　式（４）中已经不包含掌子面前方围岩波速　，由　观测数据仅可确定开挖段的围岩波速　和断层反射　的最短走时ｔｏ；而ｔｏ中包含断层位置Ｚｆ和前方围岩波　速　两个变量，由一个方程无法确定，只能指定一个　计算另一个。因此，　２０３，ＴＧＰ２０６是无法确定掌子　面前方波速和断层位置的。　ＴＳＴ技术基于偏移叠加能量最大化原理，通过　速度扫描方法确定围岩波速分布。叠加能量取极　值时的速度为最优速度，它最接近真实速度。计算　原理为　Ｍ　Ｍ　Ｅ　∑（Ａ　一Ａ。）　∑Ａ　ａＶ　一０，Ｅ　，Ａ。一眚（５）　式中Ａ　——叠加的像点能量值。　其计算结果如图４所示。　４６０４７０４８０４９０５００５１０　５２０５３０５４０　５５０５６０　５７０　５８０５９０６００６１０６２０６３０６４Ｏ６５０　６６０　４６０　４７０　４８０　４９０５００　５１０５２０５３０５４０　５５０￥６０５７０　５８０５９０　６ＯＯ　６１０６２０６３０６４Ｏ６５０　６６Ｏ　图４叠加能量最大原理下的速度扫描分析结果　ＴＳＰ２０３，ＴＧＰ２０６的数据因为横向偏移距ｚ：　０，速度扫描没有最优值。　波速与围岩的工程类别密切相关，它已作为岩　体工程类别划分的重要依据，因此，围岩波速分布　的数据是超前预报的重要组成部分。目前，国内外　的超前预报技术中只有ＴＳＴ能准确地确定掌子面　前方围岩波速的分布。　５　ＴＳＴ的合成孔径偏移成像技术　合成孑Ｌ径偏移成像技术是先进的地震资料处　理技术，可充分处理地震资料中的运动学和动力学　信息。运动学信息即地震回波的走时，用于确定围　岩速度和断层的位置；动力学信息是地震波的震幅　和极性，用于确定围岩波阻抗变化，提供界面两侧　围岩模量差异大小。该技术是以目标点的散射强　度为对象，对观测孔径内的散射信号进行延时叠　加。这里的观测孑Ｌ径指的就是横向偏移距。计算　公式为　Ａ（ｘ，ｚ）　＝　∑∑（　—ｒＩ十　Ｊ一１　ｉ一１　ｌ　一ｒＩ）　（　，ｒｊ，￡）　（￡一　）（６）　式中　（　，　，　）——经方向滤波后的地震记录；　ｒ成像点（ｚ，ｚ）在极坐标下位置；　接收点位置；　ｒｆ——激发点位置；　平均波速，可由分层波速加权得到。　像点值代表地质点上散射强度的大小，可以理　解为地质点的反射系数，散射强度大反映地质点前　后两侧波阻抗差异大；反之亦然。散射强度除了有　大小之分外，还有正负之分。正值表示前方岩体变　硬，图像中用红色线条表示；负值表示前方岩体变　软，用蓝色线条表示。　・　６１　。